建筑结构设计的基本概念与要点

何炳贵

广东广筑工程设计有限公司，广东东莞 523000

建筑结构设计是影响建筑工程项目最终使用性能的重要因素，不仅对建筑功能的实现十分重要，也和建筑的安全性、耐久性息息相关。现在人们对建筑物的需求和过去有了很大的不同，不光重视建筑的使用是否安全、舒适和经济，还对环境保护、生态、材料等方面提出新的要求。在这种背景下，对建筑结构设计的概念和要点进行研究，主要是为了让建筑结构设计更为合理，还要尽力保证建筑项目整体结构和使用效能上的。

1 建筑结构设计基本概念分析

在建筑结构设计中，安全是放在首位的最重要的基本功能，其次是建筑要具有良好的使用功能，最后是要具有规定时间内的长久使用寿命。在实现这些基本功能后，还要注重降低建筑的施工成本，使用绿色环保的生态材料，保证环境不受破坏和实现使用者对建筑的其他方面的需求。所以在进行建筑结构设计时，应该从满足基本功能入手，采用多种方法综合保证整体功能的实现。随着全国各地建设行业快速发展，建筑结构设计时间往往非常紧凑，故设计师很难全面考虑清楚各专业的协调及繁琐复杂细节。结构概念设计作为结构设计的前提基础，良好的结构概念设计是结构更安全、更经济、更适用的保证。运用结构概念设计的手段，确定合适的基础类型、结构类型、结构体系、墙柱梁板布局、层高以及建筑平面优化等，即可从宏观上确保建筑方案在结构上是可行性合理性，当然概念上不必拘泥于细部大样或构造细节。

建筑建构设计的概念实现通常是从四个方面进行：

一是要在设计中尽可能应用多道抗震防线概念。地震发生时有一定的持续时间，而且可能反复多次作用，根据地震后倒塌的建筑物的研究，地震的反复作用使结构遭到严重破坏，而最后倒塌则是结构因破坏而丧失了承受竖向荷载的能力。故多道抗震防线作为抗震设计的最基本概念应该贯穿整个结构设计计算的过程中，在设计中应该尽可能设置多道抗震防线，利用赘余杆件的屈服和弹塑性变形把尽可能多的地震能量消耗掉。例如框架抗震墙结构，设计时不但要考虑小震和中震情况下结构基本完好，还要考虑在大震情况下连梁先遭受破坏而丧失作用，按单片墙肢计算，结构仍有足够强度刚度而不倒；还要求控制任一层框架部分承担的剪力值不应小于结构底部总地震剪力的20%。

二是要在设计中体现构件主次和大小概念。对建筑安全性能的实现，不仅是从每个构建上予以保证，还需要认清不同构造元件对整个建筑的作用，从不同结构的特点和承受外力的优势出发，采用抓大放小、抓主为先的原则，首先保证整个建筑中担负着核心作用的构建和部位的安全性能。比如大部分建筑中都有主柱和辅梁，强剪和弱弯等设计理念，这些方法都是保证建筑在受到灾害时，核心部件能保证不受到主要伤害，其他构建也能根据所处的位置有效发挥作用，以此来共同保证建筑受到灾害的伤害程度最低。

三是要在设计中能体现出整体结构和谐平衡的概念。在建筑结构在进行一体化设计中，结构的一体化协调程度是建筑安全性能的重要指标。一个整体和谐、结构平衡的建筑必然可以在突发灾害时让外力作用实现有效传导和化解。在对建筑进行整体结构平衡设计中，重点要考虑对不同结构结合部位节点的设计，这些节点因为发挥的是联系不同结构的作用，所以承受的外力往往不均匀，很容易因为受力集中造成断裂等损伤，从而影响建筑的整体受力情况。所以在对节点的设计中，要综合考虑各种节点的受力大小，不出现受力过于集中在某些节点的情况，让节点作为建筑的“关节”，具有良好的刚度，以保证建筑整体的稳定和平衡。

四是要在满足安全性能的同时体现绿色环保建筑概念。现在人们在安全使用的基础上，对建筑是否满足绿色环保的需求更为迫切。人们都意识到房屋等建筑的目的并不是为了破坏环境来获得更好的舒适度，而是要在保护地球环境的同时找到舒适居住的良好环境。所以在建筑设计中，要本着服务人类、保护环境的理念，选择符合环保要求的建筑材料，不使用破坏自然环境的施工方案。

2 建筑结构设计要点

建筑结构设计简而言之就是用结构语言表达建筑主体，即用墙、梁、板、柱、基础、楼梯、大样等元素组合成建筑结构体系。不同的建筑结构设计应根据实际情况选择相应的基础类型结构类型和计算模型等。结构设计力求结构形式简捷，传力路径清晰明确，一般不设计成静定结构，以超静定结构为主。结构设计工作简要过程见图1。

图1 结构设计工作简要过程

在结构设计过程中，应注意如下几点：

一是地基和基础设计要点。地基与基础设计是结构设计最关键部分，必须注重如下几点：①传递到地基上的上部结构荷载效应 （包括轴力弯矩剪力等） 一定要小于地基容许承载力或地基承载力特征值，具有合理的地基承载力安全储备，避免建筑物地基承载力不足造成倾斜等问题；②基础沉降值必须小于地基变形容许值，保证建筑物不因地基变形而损坏或影响其正常使用；③基础应有足够的强度刚度，满足受弯受剪冲切剪切要求。这要求同一结构单体的基础不宜设置在性质截然不同的地基上；同一结构单体不宜同时采用不同基础类型，当采用不同基础类型或基础埋深显著不同时，应对地基基础的沉降进行验算，在基础、上部结构的相关部位采取相应减少沉降措施；地基土层为淤泥、软弱黏性土、液化土、新近填土或土层厚度严重不均匀土时，应根据地基不均匀沉降和其他不利影响，采取相应的措施。基础的形状中心要宜和上部建筑的重心吻合。对高层建筑设计中，为了确保基础整体的强度刚度，可以采用桩箱、桩筏等基础类型。

二是建筑结构的竖向结构设计要点。建筑的竖向体型宜规则、均匀，不宜有过大的外挑和收进。剪力墙结构的墙体应双向或多向布置，形成对承受竖向荷载有利、抗侧力刚度大的平面和竖向布局；在抗震结构中、应避免仅单向有墙的结构布置形式；剪力墙上常因开门开窗、穿越管线而需要开有洞口，这时应尽量使洞口上下对齐、布置规则，洞与洞之间、洞到墙边的距离不能太小。框架柱宜避免过多的穿层柱、斜柱、短柱和转换。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀递减，避免刚度变化过大，这就要求结构层高、混凝土强度等级、墙柱截面等不宜变化过大。

三是建筑结构的平面设计要点。结构平面形状宜简单、对称、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。不宜采用特别不规则的平面布置，平面凹凸尺寸不宜大于相应边长30%等，组合平面不宜采用细腰形或角部重叠形，同一方向板有效宽度不宜小于50%，开洞面积不宜大于整个楼板面积的30%，错层不宜大于梁高。如果平面长度过长，发生地震时容易产生较不利的震害，因为两端地震波传递有位相差而产生不协调的振动；如果有较长的外伸，外伸段容易产生局部振动而引发凹角处应力集中和破坏。如角部重叠和细腰形的平面图形，存在中间收窄处或凹角部位，地震时该部位是不同变形交汇处，应力集中明显，则该处楼板容易开裂、破坏。

四是建筑结构电算要点。设计人员应该对软件 （如PKPM、广厦等软件计算） 的计算流程、计算模型及相关假定、设计参数等方面有全面的了解，选择合适的计算模型。结构电算首先要让整体参数指标满足现行的规范规程，诸如结构整体抗倾覆验算、周期比、位移比、位移角、轴压比、剪重比、刚重比等控制指标优先考虑。例如周期比主要为控制结构在罕遇大震下的扭转效应，当其不满足要求时，反复调整改变结构布置，提高结构的扭转刚度，调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度，适当削弱结构中间墙、柱的刚度。当总体参数满足后，详细调整个别墙梁板柱超筋超限，比如墙的稳定性、梁的剪压比等。对最终的电算结果，设计人员仍需根据相关规范规程和实际工程经验试验对计算结果做出合理的审核，不可盲目相信电算结果。电算结构布置和截面确定过程见图2。

图2 电算结构布置和截面确定过程

3 结语

建筑结构设计是有效降低建筑安全隐患，提高建筑使用寿命和使用效能的重要环节。在建筑结构设计中，设计人员要严格遵循结构设计的原则，让设计方案既能够满足建筑师的设计意图，又能有效实现建筑的实际功能，不断提高建筑结构的安全稳定性能，让建筑结构设计体现出应有的价值。

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